鎖存器簡(jiǎn)介

　　鎖存器（Latch）是一種對(duì)脈沖電平敏感的存儲(chǔ)單元電路，它們可以在特定輸入脈沖電平作用下改變狀態(tài)。鎖存，就是把信號(hào)暫存以維持某種電平狀態(tài)。鎖存器的最主要作用是緩存，其次完成高速的控制器與慢速的外設(shè)的不同步問(wèn)題，再其次是解決驅(qū)動(dòng)的問(wèn)題，最后是解決一個(gè) I/O 口既能輸出也能輸入的問(wèn)題。鎖存器是利用電平控制數(shù)據(jù)的輸入，它包括不帶使能控制的鎖存器和帶使能控制的鎖存器。

鎖存器百科

　　鎖存器（Latch）是一種對(duì)脈沖電平敏感的存儲(chǔ)單元電路，它們可以在特定輸入脈沖電平作用下改變狀態(tài)。鎖存，就是把信號(hào)暫存以維持某種電平狀態(tài)。鎖存器的最主要作用是緩存，其次完成高速的控制器與慢速的外設(shè)的不同步問(wèn)題，再其次是解決驅(qū)動(dòng)的問(wèn)題，最后是解決一個(gè) I/O 口既能輸出也能輸入的問(wèn)題。鎖存器是利用電平控制數(shù)據(jù)的輸入，它包括不帶使能控制的鎖存器和帶使能控制的鎖存器。

　　原理

　　CMOS反相器的功能是可以使輸出獲得跟輸入相反的邏輯值，那如果把兩個(gè)反相器的輸入跟輸出連接在一起會(huì)出現(xiàn)什么情況呢？我們來(lái)看下圖，假設(shè)某個(gè)時(shí)刻反相器A的輸入是1，那么其輸出會(huì)是0；因?yàn)锳的輸出連接到B的輸入端，即反相器B的輸入為0，那么其輸出會(huì)變?yōu)?；又因?yàn)锽的輸出連接到A的輸入端，即B輸出的1反饋回A的輸入，對(duì)剛才假設(shè)的“A的輸入為1”進(jìn)行了確認(rèn)和加強(qiáng)。此時(shí)A的輸入確實(shí)為1，按A和B的輸入輸出連接關(guān)系，又走了一遍剛才的路程，如此循環(huán)，結(jié)果是反相器A的輸出穩(wěn)定為0，反相器B的輸出穩(wěn)定為1。這個(gè)結(jié)構(gòu)的電路有兩個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)，一般稱之為雙穩(wěn)態(tài)電路?？梢?jiàn)類似的雙穩(wěn)態(tài)電路可以穩(wěn)定地保持其節(jié)點(diǎn)中的值（數(shù)據(jù)），具有記憶功能，這就是鎖存器工作的原理。

　　從上面介紹可看出，首尾相接的兩個(gè)反相器構(gòu)成了互相反饋耦合的形態(tài)，這就是鎖存器的基本電路結(jié)構(gòu)。但是這里是基于一個(gè)假設(shè)，假設(shè)反相器A的輸入為1，那么它的輸出為0，兩個(gè)反相器連在一起通過(guò)互相反饋加強(qiáng)，則能保持0和1兩個(gè)值。如果沒(méi)有這個(gè)假設(shè)，它能保存的值將是不確定的。這類似于“雞生蛋還是蛋生雞”的謎局，要將此電路當(dāng)鎖存器使用，就必須打破這個(gè)“是輸入先有0，還是輸出先反饋回1”的僵局。于是給它加了兩個(gè)輸入端，由于反相器只有1個(gè)輸入，因此改用或非門來(lái)代替。電路結(jié)構(gòu)如下圖，根據(jù)或非門“只要有一個(gè)輸入為1，其輸出就為0”的特性，當(dāng)R為1時(shí)，雖然有反饋存在，也可以強(qiáng)制輸出Q=0；當(dāng)S為1時(shí)，則強(qiáng)制輸出Q=1。這就是R-S鎖存器，R意為Reset，清零的意思；S意為Set，置1的意思。

　　R-S鎖存器的結(jié)構(gòu)是最基本的鎖存結(jié)構(gòu)，實(shí)際應(yīng)用中一般會(huì)進(jìn)行各種改造和擴(kuò)展，至少會(huì)加一個(gè)輸入端作為控制信號(hào)，該信號(hào)有效時(shí)，鎖存器能持續(xù)地輸入、輸出數(shù)據(jù)。其控制信號(hào)一般為高電平，因此鎖存器是一種對(duì)脈沖電平敏感的存儲(chǔ)單元電路，可以在特定輸入脈沖電平作用下改變狀態(tài)。鎖存器的最主要作用是緩存，除了特殊用途如異步電路或很簡(jiǎn)單的邏輯，其他場(chǎng)合已經(jīng)很少直接應(yīng)用鎖存器，因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而且對(duì)電平敏感，不適合在主流的對(duì)時(shí)鐘敏感的集成電路中應(yīng)用。一般都是使用以鎖存器為基礎(chǔ)的觸發(fā)器或寄存器。

　　鎖存器的最主要作用

　　1：緩存、

　　2：完成高速的控制其與慢速的外設(shè)的不同步問(wèn)題、

　　3：是解決驅(qū)動(dòng)的問(wèn)題（提供的電流比51IO口輸出電流大）

　　4：拓展I/O口（可以很猥瑣的用鎖存器冪疊加方法，即鎖存器的Q再接鎖存器~ 實(shí)現(xiàn)IO口的無(wú)限拓展···）

　　鎖存器應(yīng)用實(shí)例

　　I/O口復(fù)用：當(dāng)單片機(jī)連接片外存儲(chǔ)器時(shí)，要接上鎖存器，這是為了實(shí)現(xiàn)地址的復(fù)用。假設(shè)，MCU 端口其中的 8 路的 I/O 管腳既要用于地址信號(hào)又要用于數(shù)據(jù)信號(hào)，這時(shí)就可以用鎖存器先將地址鎖存起來(lái)。（具體操作：先送地址信息，由ＡＬＥ使能鎖存器將地址信息鎖存在外設(shè)的地址端，然后送數(shù)據(jù)信息和讀寫使能信號(hào)，在指定的地址進(jìn)行讀寫操作）

　　如果單片機(jī)的總線接口只作一種用途，不需要接鎖存器；如果單片機(jī)的總線接口要作兩種用途，就要用到鎖存器。例如：一個(gè)I/O口要控制兩個(gè) LED，對(duì)第一個(gè) LED 送數(shù)據(jù)時(shí)，“打開(kāi)”第一個(gè)鎖存器而“鎖住”第二個(gè)鎖存器，使第二個(gè) LED 上的數(shù)據(jù)不變。對(duì)第二個(gè) LED 送數(shù)據(jù)時(shí)，“打開(kāi)”第二個(gè)鎖存器而“鎖住”第一個(gè)鎖存器，使第一個(gè) LED 上的數(shù)據(jù)不變。如果單片機(jī)的一個(gè)口要做三種用途，則可用三個(gè)鎖存器，操作過(guò)程相似。就這一種用法而言，可以把鎖存器視為單片機(jī)的 I/O 口的擴(kuò)展器。

　　74HC573引腳分布圖

　　由上邊這個(gè)真值表可以看出：OE為高時(shí)，輸出始終為高阻態(tài)，此時(shí)芯片處于不可控制狀態(tài)，所以在一般應(yīng)用中，我們必須將OE接低電平。

　　LE則是輸出端狀態(tài)改變使能端，當(dāng)LE為低電平，輸出端Q始終保持上一次存儲(chǔ)的信號(hào)（從D端輸入），當(dāng)LE為高電平時(shí)，Q緊隨D的狀態(tài)變化，并將D的狀態(tài)鎖存。

　　也就是說(shuō)當(dāng)鎖存使能端LE為高時(shí)，這些器件的鎖存對(duì)于數(shù)據(jù)是透明的（也就是說(shuō)輸出同步）。當(dāng)鎖存使能變低時(shí)，符合建立時(shí)間和保持時(shí)間的數(shù)據(jù)會(huì)被鎖存。

　　另外：對(duì)鎖存器的輸入是和標(biāo)準(zhǔn) CMOS 輸出兼容的；若再加上上拉電阻，他們能和 LS/ALSTTL 輸出兼容。

　　鎖存器的電路連接及使用詳解：

　?。ńY(jié)合上面的鎖存器引腳說(shuō)明）

　　0：vcc gnd 供電不用多說(shuō)吧？

　　1：OE接地

　　2：D0-D7接我們的信號(hào)發(fā)射端 （一般為單片機(jī)用來(lái)傳輸數(shù)據(jù)的I/O口）

　　3：Q0-Q7接我們要接受信息的終端（數(shù)碼管，液晶，or anyother device）

　　4：LE接一個(gè)I/O口（此I/O腳可視為鎖存器 鎖存功能 的開(kāi)關(guān)，高電平為更新Q端信號(hào)（要更新的信號(hào)從D輸入）低電平則不更新）

　　鎖存器，觸發(fā)器，寄存器和緩沖器的區(qū)別

　　一、鎖存器

　　鎖存器（latch）---對(duì)脈沖電平敏感，在時(shí)鐘脈沖的電平作用下改變狀態(tài)鎖存器是電平觸發(fā)的存儲(chǔ)單元，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的動(dòng)作取決于輸入時(shí)鐘（或者使能）信號(hào)的電平值，僅當(dāng)鎖存器處于使能狀態(tài)時(shí)，輸出才會(huì)隨著數(shù)據(jù)輸入發(fā)生變化。

　　鎖存器不同于觸發(fā)器，它不在鎖存數(shù)據(jù)時(shí)，輸出端的信號(hào)隨輸入信號(hào)變化，就像信號(hào)通過(guò)一個(gè)緩沖器一樣；一旦鎖存信號(hào)起鎖存作用，則數(shù)據(jù)被鎖住，輸入信號(hào)不起作用。鎖存器也稱為透明鎖存器，指的是不鎖存時(shí)輸出對(duì)于輸入是透明的。

　　鎖存器（latch）：我聽(tīng)過(guò)的最多的就是它是電平觸發(fā)的，呵呵。鎖存器是電平觸發(fā)的存儲(chǔ)單元，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的動(dòng)作取決于輸入時(shí)鐘（或者使能）信號(hào)的電平值，當(dāng)鎖存器處于使能狀態(tài)時(shí)，輸出才會(huì)隨著數(shù)據(jù)輸入發(fā)生變化。（簡(jiǎn)單地說(shuō)，它有兩個(gè)輸入，分別是一個(gè)有效信號(hào)EN，一個(gè)輸入數(shù)據(jù)信號(hào)DATA_IN，它有一個(gè)輸出Q，它的功能就是在EN有效的時(shí)候把DATA_IN的值傳給Q，也就是鎖存的過(guò)程）。

　　應(yīng)用場(chǎng)合：數(shù)據(jù)有效遲后于時(shí)鐘信號(hào)有效。這意味著時(shí)鐘信號(hào)先到，數(shù)據(jù)信號(hào)后到。在某些運(yùn)算器電路中有時(shí)采用鎖存器作為數(shù)據(jù)暫存器。

　　缺點(diǎn)：時(shí)序分析較困難。

　　不要鎖存器的原因有二：1、鎖存器容易產(chǎn)生毛刺，2、鎖存器在ASIC設(shè)計(jì)中應(yīng)該說(shuō)比f(wàn)f要簡(jiǎn)單，但是在FPGA的資源中，大部分器件沒(méi)有鎖存器這個(gè)東西，所以需要用一個(gè)邏輯門和ff來(lái)組成鎖存器，這樣就浪費(fèi)了資源。

　　優(yōu)點(diǎn)：面積小。鎖存器比FF快，所以用在地址鎖存是很合適的，不過(guò)一定要保證所有的latch信號(hào)源的質(zhì)量，鎖存器在CPU設(shè)計(jì)中很常見(jiàn)，正是由于它的應(yīng)用使得CPU的速度比外部IO部件邏輯快許多。latch完成同一個(gè)功能所需要的門較觸發(fā)器要少，所以在asic中用的較多。 二、觸發(fā)器

　　觸發(fā)器（Flip-Flop，簡(jiǎn)寫為 FF），也叫雙穩(wěn)態(tài)門，又稱雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。是一種可以在兩種狀態(tài)下運(yùn)行的數(shù)字邏輯電路。觸發(fā)器一直保持它們的狀態(tài)，直到它們收到輸入脈沖，又稱為觸發(fā)。當(dāng)收到輸入脈沖時(shí)，觸發(fā)器輸出就會(huì)根據(jù)規(guī)則改變狀態(tài)，然后保持這種狀態(tài)直到收到另一個(gè)觸發(fā)。

　　觸發(fā)器（flip-flops）電路相互關(guān)聯(lián)，從而為使用內(nèi)存芯片和微處理器的數(shù)字集成電路（IC）形成邏輯門。它們可用來(lái)存儲(chǔ)一比特的數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)可表示音序器的狀態(tài)、計(jì)數(shù)器的價(jià)值、在計(jì)算機(jī)內(nèi)存的ASCII字符或任何其他的信息。

　　有幾種不同類型的觸發(fā)器（flip-flops）電路具有指示器，如T（切換）、S-R（設(shè)置/重置）J-K（也可能稱為Jack Kilby）和D（延遲）。典型的觸發(fā)器包括零個(gè)、一個(gè)或兩個(gè)輸入信號(hào)，以及時(shí)鐘信號(hào)和輸出信號(hào)。一些觸發(fā)器還包括一個(gè)重置當(dāng)前輸出的明確輸入信號(hào)。第一個(gè)電子觸發(fā)器是在1919年由W.H.Eccles和F.W.Jordan發(fā)明的。

　　觸發(fā)器（flip-flop）---對(duì)脈沖邊沿敏感，其狀態(tài)只在時(shí)鐘脈沖的上升沿或下降沿的瞬間改變。

　　T觸發(fā)器（Toggle Flip-Flop，or Trigger Flip-Flop）設(shè)有一個(gè)輸入和輸出，當(dāng)時(shí)鐘頻率由0轉(zhuǎn)為1時(shí)，如果T和Q不相同時(shí)，其輸出值會(huì)是1。輸入端T為1的時(shí)候，輸出端的狀態(tài)Q發(fā)生反轉(zhuǎn)；輸入端T為0的時(shí)候，輸出端的狀態(tài)Q保持不變。把JK觸發(fā)器的J和K輸入點(diǎn)連接在一起，即構(gòu)成一個(gè)T觸發(fā)器。

　　應(yīng)用場(chǎng)合：時(shí)鐘有效遲后于數(shù)據(jù)有效。這意味著數(shù)據(jù)信號(hào)先建立，時(shí)鐘信號(hào)后建立。在CP上升沿時(shí)刻打入到寄存器。

　　三、寄存器

　　寄存器（register）：用來(lái)存放數(shù)據(jù)的一些小型存儲(chǔ)區(qū)域，用來(lái)暫時(shí)存放參與運(yùn)算的數(shù)據(jù)和運(yùn)算結(jié)果，它被廣泛的用于各類數(shù)字系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)中。其實(shí)寄存器就是一種常用的時(shí)序邏輯電路，但這種時(shí)序邏輯電路只包含存儲(chǔ)電路。寄存器的存儲(chǔ)電路是由鎖存器或觸發(fā)器構(gòu)成的，因?yàn)橐粋€(gè)鎖存器或觸發(fā)器能存儲(chǔ)1位二進(jìn)制數(shù)，所以由N個(gè)鎖存器或觸發(fā)器可以構(gòu)成N位寄存器。 工程中的寄存器一般按計(jì)算機(jī)中字節(jié)的位數(shù)設(shè)計(jì)，所以一般有8位寄存器、16位寄存器等。

　　對(duì)寄存器中的觸發(fā)器只要求它們具有置1、置0的功能即可，因而無(wú)論是用同步RS結(jié)構(gòu)觸發(fā)器，還是用主從結(jié)構(gòu)或邊沿觸發(fā)結(jié)構(gòu)的觸發(fā)器，都可以組成寄存器。一般由D觸發(fā)器組成，有公共輸入/輸出使能控制端和時(shí)鐘，一般把使能控制端作為寄存器電路的選擇信號(hào)，把時(shí)鐘控制端作為數(shù)據(jù)輸入控制信號(hào)。

　　寄存器的應(yīng)用

　　1. 可以完成數(shù)據(jù)的并串、串并轉(zhuǎn)換；

　　2.可以用做顯示數(shù)據(jù)鎖存器：許多設(shè)備需要顯示計(jì)數(shù)器的記數(shù)值，以8421BCD碼記數(shù)，以七段顯示器顯示，如果記數(shù)速度較高，人眼則無(wú)法辨認(rèn)迅速變化的顯示字符。在計(jì)數(shù)器和譯碼器之間加入一個(gè)鎖存器，控制數(shù)據(jù)的顯示時(shí)間是常用的方法。

　　3.用作緩沖器；

　　4. 組成計(jì)數(shù)器：移位寄存器可以組成移位型計(jì)數(shù)器，如環(huán)形或扭環(huán)形計(jì)數(shù)器。

　　四、移位寄存器

　　移位寄存器：具有移位功能的寄存器稱為移位寄存器。

　　寄存器只有寄存數(shù)據(jù)或代碼的功能。有時(shí)為了處理數(shù)據(jù)，需要將寄存器中的各位數(shù)據(jù)在移位控制信號(hào)作用下，依次向高位或向低位移動(dòng)1位。移位寄存器按數(shù)碼移動(dòng)方向分類有左移，右移，可控制雙向（可逆）移位寄存器；按數(shù)據(jù)輸入端、輸出方式分類有串行和并行之分。除了D邊沿觸發(fā)器構(gòu)成移位寄存器外，還可以用諸如JK等觸發(fā)器構(gòu)成移位寄存器。